ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Степень термодинамического совершенства технологических процессов

Применение прогрессивных энергосберегающих технологических схем и повышение энерготехнологической эффективности оборудования являются важными задачами химического производства.

При разработке высокоэффективных и малоэнергоемких техноло­гий и оборудования большое значение имеют вопросы использования вторичных ресурсов и утилизации побочных энергоресурсов, под кото­рыми понимают неиспользованный в технологическом процессе энерге­тический потенциал всех продуктов и отходов. Например, применение котлов-утилизаторов, которые позволяют использовать теплоту отходя­щих газов для производства пара или подогрева воды. Другим примером может служить использование теплоты, полученной за счет охлаждения химически очищенной водой элементов, расположенных в высокотемпе­ратурной зоне (например, печи). При этом охлаждаемые поверхности ис­пользуются в качестве испарителей для получения водяного пара.

Первым шагом по пути модернизации любого процесса является анализ степени его совершенства и сопоставление его с другими вариан­тами процессов, предназначенных для одной цели.

Объективная оценка степени энергетического совершенства любо­го технологического процесса и агрегата может быть сделана лишь на основе термодинамического анализа.

Простейшим из них является энергетический метод - на основе первого закона термодинамики. Например, энергетический баланс теп­ловой установки (рис. 9.4) можно записать следующим образом:

Ох = 02 + О,,,

где Оп - это энергия, которая не используется в технологической системе.

Если предположить, что

Рис. 9.4. Схема теплового
баланса

Известно, что любой процесс, независимо от того, как он будет технологически оформлен, при правильном подсчете всех энергетиче­ских потоков имеет коэффициент полезного действия близкий к едини­це, и нет смысла в его совершенствовании. Кроме того, из данного урав­нения энергетического баланса неясно, используется энергия Q2 где-то или нет.

Таким образом, энергетический баланс не дает полной информа­ции, прежде всего, о качественных изменениях, происходящих в систе­ме. При составлении энергетического баланса невозможно объективно учесть вторичные энергоресурсы (ВЭР). Если ВЭР вычесть из суммы общих энергозатрат, то расход энергозатрат будет заниженным, а если их вообще не учитывать, то энергозатраты получаются сильно завышен­ными. Кроме того, при комплексном производстве невозможно пра­вильно распределить затраты энергии на различные виды продукции.

Для оценки степени совершенства технологического процесса следует использовать энергетический анализ на основе второго закона термодинамики и степень совершенства процесса понимать как степень его обратимости.

В обратимом процессе сумма потоков энергии, подведенных к системе, равна сумме потоков энергии, отведенных от нее:

тогда коэффициент полезного действия в обратимом процессе

В любом реальном процессе вследствие его необратимости

и тогда

Таким образом, в реальных процессах эксергетический коэффици­ент полезного действия (г|е) всегда меньше единицы. Величина эксерге- тических потерь

Д£> = ^ЕВХ-^£ВЬІХ.

По существу, У" Т’|>Л является суммой всех энергетических затрат

на осуществление данного процесса, а ^Т’иых - обобщенная валовая производительность агрегата.

Таким образом, це отражает степень совершенства любого про­цесса: будь то производство энергии или другой технологический процесс.

В табл. 9.12 приведены значения энергетических (тепловых) и эк - сергетических коэффициентов полезного действия электрических ма­шин и тепловых установок.

Таблица 9.12

Сравнение энергетических и эксергетических КПД

Вид установки (машины)

ЭнергеТИЧеСКИЙ, Г|е

Эксергетический, Г)е

Электродвигатель

0,85...0,95

0,90

Электрогенератор

0,96...0,99

0,98

Паровой котел

0,88...0,92

0,49

Газовая печь

0,60...0,85

0,13

Печь на жидком топливе

0,45...0,70

0,11

Из табл. 9.12 видно, что менее совершенными являются тепловые процессы, для которых значения эксергетических коэффициентов по­лезного действия в 2-5 раз ниже энергетических коэффициентов полез­ного действия.

Для того чтобы составить эксергетический баланс типового хими­ко-технологического процесса, необходимо перечислить основные виды эксергии:

• теплового процесса [Eq;

• вещества ЕЪ;

• химическая [Тх];

• нулевая [Eq .

Тогда эксергетический баланс можно изобразить так, как это пока­зано нарис. 9.5.

Рис. 9.5. Схема к расчету эксергии

Для такой системы уравнение эксергетического баланса можно за­писать в следующем виде:

В общем виде эксергетический коэффициент полезного действия

2>вых

2Xs'

Если У" Е|>л = 0, то ЕИЬ|Х = 0, тогда уравнение эксергетического

баланса запишется следующим образом:

2хх-2>

Для приближенной оценки степени совершенства процессов мож­но использовать эксергетические потери.

Эксергетические потери делятся:

• на внутренние потери эксергии: связаны с необратимостью процессов, протекающих внутри системы (потери при дросселировании, трении, при наличии гидравлических сопротивлений);

• внешние потери эксергии: связаны с условиями сопряжения системы с окружающей средой (выброс продуктов производства в ок­ружающую среду, плохая изоляция системы и т. д.).

Внутренние потери чаще всего связаны с несовершенством машин и аппаратов, а внешние - с несоответствием между процессом и усло­виями его проведения.

Практическое значение такого разделения эксергетических потерь свя­зано с различными способами уменьшения внутренних и внешних потерь.

Ниже приводится пример использования эксергетических потерь для оценки степени совершенства типового технологического процесса и его технологического оформления.

Пример 9.8. Условия проведения процесса в реакторе:

• сырье поступает в реактор при температуре t = 195 °С;

• продукты реакции выходят из реактора с температурой t2 = 185 °С;

• исходная температура сырья /исх = 30 °С;

• теплоемкость сырья и продуктов реакции не меняется;

• тепловыми потерями в окружающую среду пренебрегаем;

• конечная температура продуктов реакции /коп = 30 °С;

• температура сухого насыщенного пара /„ = 200 °С;

• процесс конденсации пара изотермический;

• количество тепла, необходимое для нагревания сырья от /исх до О, равно 1 МДж;

• температура в котле утилизаторе /ку = 150 °С;

• потери эксергии в реакторе для всех схем одинаковы.

Решение. Так как потери эксергии в реакторе одинаковы, для

оценки технологических схем достаточно определить потери эксергии за счет теплообмена в теплообменниках (Дуг)- Расчет производится по формулам:

V П - Г)Г1 + Г)Т2 , •

DAT=Tn-0-

где То = 298К; О - теплота, передаваемая от одного теплоносителя со средней температурой Та к другому - со средней температурой Т6.

Теплота, необходимая для нагревания сырья, по условию равна 1 МДж. Теплоту, необходимую для охлаждения продуктов реакции от t2 до tK, определяют по формуле

где /„ и /к - температуры теплоносителя на входе и выходе.

Так как теплоемкость (с) и масса (ти) продуктов реакции равны те­плоемкости и массе сырья, то произведение m ■ с можно определить по формуле

(?нагр = 7И • С • (?i + ^исх ) = 1 ’

откуда т-с = —----- , МДж/К.

Н ~ ^исх

Тогда количество теплоты на охлаждение

С? охл = т • С • (Ч - *исх ) = 73 (Ч - *исх ) = °>939 МДж.

Ч 'исх

Отметим, что сумма = (9нагр + 0охл = 1 + 0,939 = 1,939 МДж со­храняется постоянной во всех схемах.

Рассчитаем потери эксергии для первого варианта технологиче­ской схемы (рис. 9.6).

Потери эксергии в теплообменнике 7 | равны:

п7! - т. пт1 .

О V/ тх ■>

где О1' = Опаф = 1 МДж.

Средняя температура сырья

Т = /исх +1[ + 273 = с 2

Температура греющего пара не меняется, так как идет процесс конденсации пара:

Tu = tu + 273 = 200 + 273 = 473К;

г 473-386

£>^=298-1-_______ =-0,142 МДж.

В теплообменнике Ті

ТТ2 _ ТТ2

Г)Т2 — Т. Г)Т2 . ПР В

ихг - О ) О

где Q1' = £>охл = 0,939 МДж.

Средняя температура продуктов реакции

Тт1 = tl + Іков + 273 = 185 + 30 + 273 = 380 К,

°р о о 7

а средняя температура воды

т 20 + 35

Тт* =---- —+ 273 = 300 К;

в 2

В% = 298 • 0,939 • 380 ~ 300 = 0,196 МДж.

380-300

Общие потери эксергии по первой схеме равняются:

Y, dt =D + D%= 0,142 + 0,196 = 0,338 МДж.

Потери эксергии, отнесенные к сумме теплот на нагревание и охлаждение продуктов реакции (De) сырья, равны:

De = ^)у/ -100 % = -100 = 17,4 %.

е Y. Q 1,939

Второй вариант технологической схемы включает котел - утилизатор и возможность использования теплоты конденсата водяного пара для подогрева исходного сырья (рис. 9.7).

Для расчета потерь эксергии необходимо определить количество передаваемой в каждом теплообменнике теплоты и температуры t3 и /4.

Как следует из условий, общее количество теплоты, передаваемой в теплообменниках 7) и У 2, равно 1 МДж. Принимаем, что распределе­ние теплоты по этим теплообменникам прямо пропорционально количе­ству теплоты, отдаваемой килограммом конденсирующегося пара при его охлаждении от t„ до температуры конденсата на выходе из теплооб­менника:

Считая, что теплоносители в теплообменнике Т движутся проти­вотоком, примем /к на десять градусов выше, чем температура другого теплоносителя на входе (/исх):

k = tKCX+ 10 = 30 + 10 = 40 °С.

Для L кг пара теплота конденсации, по справочным данным, со­ставляет 1938 кДж/кг при 200 °С; теплота охлаждения конденсата QK = 1 - Сяр(tH-tK) = 4,19• (200-40) = 670 кДж/кг.

Отсюда количество теплоты, передаваемое в каждом теплообмен­нике, составит:

т

• в теплообменнике Ту — Q 1 =670 кДж/кг;

Т

• в теплообменнике Т2- Q 2 = 1938 кДж/кг.

Определяем температуру /3 из уравнения

0Tl

т-с

Потери эксергии в теплообменнике Ту определяем из уравнения

ТТ1 _ ТТ1

D%r=Tn-0T'-K

тТ + ^к ці 2^0+ 4^ 111 псп V

где 7К1 = + 273 =------------ 1- 273 = 393 К - усредненная температура

конденсата; 7,f2 = ^исх^+ + 273 = ^ ^ + 273 = 323 К - усредненная

температура сырья.

Отсюда следует, что

393-323

£&■ =298- 0,25 ~ ~ ~ =0,041 МДж.

393-323

Потери эксергии в теплообменнике 72 составят:

гр % _ гр %

Г)Т2 —Т. Г) ? . Д

ит~1 о 12 q q,

Отсюда следует, что

473-406

473-406

Примем температуру /4 на 20 °С выше, чем температура воды в котле-утилизаторе, т. е. /4 = /ку + 20 = 170 °С. Тогда количество теплоты, передаваемое в каждом теплообменнике Г3 и Г4, будет равно:

1

195-30

1

195-30

Проверяем общую сумму теплот:

Y. Q = Ф + Ф2 + QT' + Q14 = °>25 + °,75 + 0,091 + 0,848 = 1,939 МДж.

Потери эксергии в теплообменнике 7з находим из уравнения

D^r = Tn-0Ti-

где

rj = Іііікон + 273 = 170 + 30 + 273 = 373 К; ер 2 2

Г/ = /|Ш + /|ІК + 273 = 20 + 35 + 273 = 300 К; в 2 2

373 _ зоо

= 298 • 0,848- =------- = 0,165 МДж.

373-300

Общая сумма потерь эксергии во второй сумме равна:

Y, Dlr =0^+0^ + DT^+DT^= 0,041 + 0,078 + 0,004 + 0,165 = 0,288 МДж.

Отношение потерь эксергии во второй схеме:

0, 288

Y. Q г>939

Как показали расчеты, более совершенной с точки зрения исполь­зования энергии является второй вариант технологической схемы.

Необходимо отметить, что реальные схемы утилизации тепла сложнее и могут быть многоступенчатыми.

Существует три группы методов экономии энергетических ресурсов:

1. Методы, связанные с увеличением поверхностей аппарата, времени протекания реакции, использованием более активных катализа­торов, что позволяет приблизиться к равновесному состоянию на выходе из аппарата.

2. Методы, основанные на изменении технологического режима и не связанные с изменением технологической схемы, что может привести к увеличению габаритов аппарата.

Методы, требующие наряду с приемами, изложенными выше, из­менение технологической схемы.

Рис. 9.8. Схемы использования тепла реакций: а с холодным байпасом; 6-е отводом тепла реакции в выносном аппарате; в-с отводом тепла непосредственно из реактора; г —с предварительным подогревом реактивов; I реактор; 2 теплообменник; 3 холодильник;

4 аппарат для использования тепла реакции; 5 подогреватель реагентов

При разработке технологической схемы необходимо производить совместный анализ энергетического и эксергетического балансов с це­лью установления уровня возврата и возможности использования элек­трической, тепловой и механической энергии с существенным сокраще­нием потребляемой извне энергии. Кроме того, при выборе относитель­ного варианта технологической схемы должны быть учтены технико­экономические показатели.

Добавить комментарий

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. И ОБОРУДОВАНИЯ

Технологические схемы процессов гранулирования дисперсных материалов

К основному оборудованию для промышленного уплотнения дис­персных материалов относятся смеситель, устройство для уплотнения (тарель, пресс, экструдер и др.), конвейер, сушилка или классификатор. Обязательными в установках являются системы пылеулавливания, включающие как …

Гранулирование в псевдоожиженном слое

В псевдоожиженном слое получают гранулы удобрений, таких как карбоаммофоски, карбамида, аммиачной селитры, нитрофоски, аммофо­са, а также кормовых дрожжей, лекарственных форм, алюмосиликатов, порошков синтетических цеолитов и др. Сущность процесса заключается в …

Закономерности уплотнения материала и аппаратурное оформление метода прессования

Руда и рудные концентраты, металлическая стружка, отходы ме­таллургических заводов и обогатительных фабрик, стекольные шихты могут быть переработаны в куски-брикеты прессованием с добавлением и без добавления связующего вещества. Метод прессования используется …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.